浮托法在官?gòu)d水庫(kù)2.5WM風(fēng)機(jī)整體拆除的應(yīng)用

于 雷,高志釗

(環(huán)球海洋工程(天津)有限公司,天津 300452)

0 引 言

伴隨著我國(guó)海洋石油行業(yè)的發(fā)展,導(dǎo)管架及平臺(tái)組塊越來(lái)越大型化,這就使得采用傳統(tǒng)安裝方法,動(dòng)用大型起重設(shè)備,一來(lái)費(fèi)用高昂,二來(lái)起重設(shè)備的更新跟不上海上平臺(tái)的增長(zhǎng)速度。在這種情況下,浮托法成為了解決上述問(wèn)題的一個(gè)有效途徑[1]。

隨著風(fēng)電技術(shù)的快速發(fā)展,風(fēng)電已成為世界可再生能源發(fā)展的關(guān)注點(diǎn)。風(fēng)能的開(kāi)發(fā)利用不會(huì)造成大氣污染和產(chǎn)生任何有害物質(zhì),可減少溫室效應(yīng)氣體的排放,環(huán)保價(jià)值可觀。官?gòu)d水庫(kù)附近的風(fēng)能資源較豐富,風(fēng)速高,湍流強(qiáng)度小,開(kāi)發(fā)受土地限制、噪音、電磁波干擾等問(wèn)題的影響小,已經(jīng)進(jìn)行了較大規(guī)模開(kāi)發(fā)。2006年開(kāi)始建設(shè)鹿鳴山風(fēng)電場(chǎng)一期,有金風(fēng)科技2.5MW風(fēng)機(jī)樣機(jī)一臺(tái),于2009年安裝在水庫(kù)岸邊開(kāi)始運(yùn)行。近兩年來(lái)由于水庫(kù)擴(kuò)容,部分風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)已經(jīng)被淹,受到水浸泡的腐蝕和波浪沖擊。環(huán)境條件改變,已經(jīng)和原來(lái)陸地使用的設(shè)計(jì)不符,存在倒塌風(fēng)險(xiǎn),業(yè)主決定先期拆除回收。本文借鑒海上油氣行業(yè)浮托法施工原理與方法,結(jié)合本工程實(shí)際,詳細(xì)闡述浮托法在水庫(kù)中整體拆除風(fēng)機(jī)的應(yīng)用,為以后海上風(fēng)電的整體安裝與拆除提供借鑒。

1 設(shè)計(jì)和方案的選擇

我國(guó)經(jīng)濟(jì)正處于快速發(fā)展階段,對(duì)于能源的需求與日俱增,同時(shí)又面臨著環(huán)境惡化的壓力,因此,發(fā)展清潔能源成為了我國(guó)發(fā)展規(guī)劃中的重要方向。我國(guó)海域幅員遼闊,可利用的風(fēng)能資源預(yù)計(jì)超過(guò)億千瓦?？梢?jiàn),發(fā)展海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng),必將成為我國(guó)未來(lái)電力戰(zhàn)略部署與發(fā)展的重點(diǎn)[2]。目前,我國(guó)海上風(fēng)機(jī)拆裝技術(shù)正處于摸索階段,2015年金風(fēng)科技在渤海灣采用1200t浮吊整體拆除了綏中36-1油田的1.5MW示范風(fēng)機(jī)。拆除的上部風(fēng)機(jī)包含塔筒以上部分以及塔筒底座,固定在浮吊上,運(yùn)輸回碼頭后再拆解,是國(guó)內(nèi)海上風(fēng)機(jī)拆裝的首次嘗試。2017年,珠海桂山海上風(fēng)電場(chǎng)示范項(xiàng)目進(jìn)行了國(guó)內(nèi)首次整機(jī)安裝,工程效益大大提高[3]。

而在內(nèi)陸水庫(kù)湖泊中風(fēng)機(jī)的拆除,目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有先例。相較于海上風(fēng)電,水庫(kù)湖泊一般較為封閉,大型船舶無(wú)法進(jìn)入;由于水深較淺,大型船舶也無(wú)法作業(yè),比如官?gòu)d水庫(kù)2.5WM風(fēng)機(jī)被水淹沒(méi)后,水深僅為1.8m。在這種極淺水作業(yè),用于海上風(fēng)機(jī)拆裝的常規(guī)技術(shù)、裝備無(wú)法使用。為了解決這兩個(gè)難題,使用拼裝式浮體平臺(tái),采用浮托法整機(jī)拆除技術(shù),提高了施工安全性,節(jié)省了材料和施工時(shí)間,拆除方便[4],如圖1所示。

圖1 浮體平臺(tái)+支撐框架俯視圖和上部風(fēng)機(jī)固定后的軸側(cè)圖Fig.1 Float platform plus support frame vertical view and with wind turbine isometric view

1.1 官?gòu)d水庫(kù)環(huán)境參數(shù)

項(xiàng)目位于河北省張家口市懷來(lái)縣官?gòu)d水庫(kù),氣候干燥,晝夜溫差大,見(jiàn)表1。施工在寒冷的冬季進(jìn)行,選定適合的時(shí)間窗口,滿足設(shè)計(jì)要求,降低環(huán)境力對(duì)施工影響。

表1 官?gòu)d水庫(kù)環(huán)境參數(shù)Tab.1 Guanting Reservoir environmental parameters

1.2 金風(fēng)2.5WM風(fēng)機(jī)的參數(shù)

風(fēng)機(jī)塔筒以混凝土基礎(chǔ)底座法蘭為分界面,基礎(chǔ)法蘭以上結(jié)構(gòu)高度約為95.5m,見(jiàn)表2,需整體拆除,這部分結(jié)構(gòu)重達(dá)419t,垂直方向的重心在水面以上近60m,如圖2所示。

表2 風(fēng)機(jī)整體拆除部分重量重心表(水面標(biāo)高為基準(zhǔn)0點(diǎn))Tab.2 Gravity center of wind turbine removal part(water lever datum zero)

圖2 基礎(chǔ)浸泡在水中的2.5MW風(fēng)機(jī)Fig.2 Foundation submerged 2.5MW wind turbine

2 施工設(shè)備介紹

根據(jù)前期勘察,由臨時(shí)碼頭至施工現(xiàn)場(chǎng)路由水深在1.8m左右,考慮風(fēng)機(jī)運(yùn)輸安全,返航時(shí)最大吃水保持在1.25m。為了應(yīng)對(duì)苛刻的吃水要求,特為此次施工設(shè)計(jì)拼接式浮箱,如圖3所示浮箱采用標(biāo)準(zhǔn)化尺寸12m×3m×2m。根據(jù)浮箱各位置受力不同,分為普通受力浮箱和集中受力浮箱。集中受力浮箱在普通受力浮箱的基礎(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。浮箱頂部預(yù)留水泵接口,潛水泵放置在浮箱底部,通過(guò)控制潛水泵吸水、排水,對(duì)浮箱進(jìn)行壓載和排載。

圖3 浮箱定位拼接和加強(qiáng)拼接Fig.3 Pontoons orientation assemble and strengthen assemble

浮體平臺(tái)在臨時(shí)碼頭拼接,浮箱陸地運(yùn)輸?shù)焦購(gòu)d水庫(kù)臨時(shí)碼頭后,吊車(chē)將其吊裝入水,之間進(jìn)行螺栓的初步定位拼接;然后,在浮箱頂部甲板布置縱橫多道H900雙拼型鋼,實(shí)現(xiàn)后續(xù)加強(qiáng)拼接。

拼接浮箱作為浮體平臺(tái),上面設(shè)置支撐框架,支撐框架采用抱樁式和風(fēng)機(jī)塔筒焊接固定,抵抗高重心的上部風(fēng)機(jī)在環(huán)境條件和浮體運(yùn)動(dòng)下產(chǎn)生的傾覆力矩[5],如圖4所示。

圖4 支撐框架現(xiàn)場(chǎng)安裝Fig.4 Support frame field installation

3 具體實(shí)施

3.1 施工流程

根據(jù)浮托法作業(yè)流程,本次風(fēng)機(jī)整體拆除步驟如下:浮體進(jìn)船就位→浮體壓載→連接風(fēng)機(jī)與浮體→排載,載荷轉(zhuǎn)移,風(fēng)機(jī)與基礎(chǔ)分離→退船,浮體返航[6]。

3.2 浮體拖航就位

由于施工地點(diǎn)處于內(nèi)陸水庫(kù),傳統(tǒng)拋錨艇、拖輪無(wú)法進(jìn)入。為解決浮體平臺(tái)拖航、起拋錨問(wèn)題,動(dòng)員動(dòng)力舟橋,通過(guò)陸地運(yùn)輸?shù)酱a頭,吊裝入水。動(dòng)力舟橋幫靠浮體,從碼頭牽引至2.5MW風(fēng)機(jī)處。浮體使用五錨定位,在距離風(fēng)機(jī)100m處停船,動(dòng)力舟進(jìn)行拋錨作業(yè);浮體初步定位后,通過(guò)絞錨前進(jìn),使浮體向風(fēng)機(jī)前進(jìn)直至風(fēng)機(jī)進(jìn)入浮體U型缺口內(nèi)。

3.3 浮體壓載并焊接風(fēng)機(jī)

浮體平臺(tái)就位后,開(kāi)始?jí)狠d,向每個(gè)浮箱內(nèi)注水至浮體吃水1.65m。壓載完成之后,進(jìn)行焊接作業(yè),上部風(fēng)機(jī)的下柱、中下柱和浮體平臺(tái)及其上的支撐框架通過(guò)連接桿完成固定,如圖5所示。

圖5 支撐框架和風(fēng)機(jī)焊接固定Fig.5 Support frame fixed with wind turbine by welding

3.4 浮體排載頂起風(fēng)機(jī)

所有焊接作業(yè)完成并經(jīng)NDT檢測(cè)無(wú)缺陷后,作業(yè)人員進(jìn)入風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)部,拆除風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)底座螺栓,解除風(fēng)機(jī)塔筒與基礎(chǔ)的連接;然后,浮體排載。排載過(guò)程中,浮體平臺(tái)吃水從1.65m變?yōu)?.25m,風(fēng)機(jī)重量逐漸轉(zhuǎn)移至浮體平臺(tái)上[7]。

由于風(fēng)機(jī)重量大,重心高,產(chǎn)生的傾覆力矩大[8]。因此,在排載作業(yè)過(guò)程中,浮體不能出現(xiàn)較大橫傾、縱傾角度,必須保證整體水平度?；诖丝紤],將排載過(guò)程細(xì)化,分為7個(gè)步驟,并以計(jì)算數(shù)據(jù)為依據(jù),確定排載程序,最大限度避免浮體傾斜。

在排載的過(guò)程中,浮體所受浮力逐漸增加,直至浮力大于風(fēng)機(jī)與浮體重量總和時(shí),浮體將風(fēng)機(jī)浮托起脫離風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)后,停止排載[4]。

使用Bentley Moses對(duì)浮體平臺(tái)建模并進(jìn)行靜水力計(jì)算,結(jié)果如圖6、表3和表4所示。

圖6 Moses模型中各浮箱編號(hào)Fig.6 Name of the pontoon in Moses model

表3 排載步驟Tab.3 Ballasting step

(續(xù)表)

表4 排載過(guò)程中浮體吃水與載重量變化Tab.4 Drafting and loading changing of pontoon barge in ballasting process

由上表可知,在第5步時(shí),風(fēng)機(jī)重量恰好等于排出水的重量。此時(shí)風(fēng)機(jī)即將被頂起,到第6步時(shí),風(fēng)機(jī)已經(jīng)離開(kāi)基礎(chǔ)法蘭面,重量完全由浮體平臺(tái)承受。

3.5 浮體返航

風(fēng)機(jī)塔筒與基礎(chǔ)脫離25cm以上后,通過(guò)絞錨移船,浮體平臺(tái)退船離開(kāi)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)至一定安全距離后,動(dòng)力舟橋起錨并拖帶浮體返航回到碼頭。

4 關(guān)鍵點(diǎn)的計(jì)算校核

浮體平臺(tái)長(zhǎng)27m,寬33m,型深2m,頂起風(fēng)機(jī)后,浮體平臺(tái)自重、支撐框架、上部風(fēng)機(jī)和其他附屬結(jié)構(gòu)的全部重量為943.9t;當(dāng)浮體平臺(tái)吃水1.25m時(shí)候,提供的浮力為1014.75t,各浮箱中壓載水總重70.85t。

4.1 靜水力計(jì)算

在靜水力計(jì)算中,重點(diǎn)考慮風(fēng)傾力矩對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響[9],使用NAPA軟件計(jì)算,如圖7所示。

圖7 NAPA坐標(biāo)系Fig.7 Coordination system in NAPA

風(fēng)壓計(jì)算公示:P=f×V2×Ch×Cs

其中,P為風(fēng)壓,單位N/m2;f=0.611;V為風(fēng)速,單位m/s;Ch為高度系數(shù);Cs為形狀系數(shù)。風(fēng)力計(jì)算公式:

F=P×A

其中,F為風(fēng)力,單位N;P為風(fēng)壓,單位N/m2;A為受風(fēng)面積,單位m2。

風(fēng)機(jī)扇葉垂直迎風(fēng)受風(fēng)面積最大,產(chǎn)生最大傾覆力矩為此方向?yàn)?0°,見(jiàn)表5和表6。

表5 90°方向風(fēng)傾力矩Tab.5 Wind moment in 90°

表6 90°方向穩(wěn)性校核Tab.6 Stability check for 90°

環(huán)境條件:吃水1.25m,橫搖0°,縱搖0°,風(fēng)速為10m/s。

4.2 水動(dòng)力計(jì)算

浮體和風(fēng)機(jī)返航運(yùn)輸過(guò)程中的水動(dòng)力計(jì)算使用Bentley Moses軟件,設(shè)計(jì)吃水1.25m時(shí),各部分重量重心數(shù)據(jù)如表7所示。

環(huán)境條件:有義波高0.5m,波浪周期2.5～7s,波譜類(lèi)型JONSWAP波。計(jì)算基于三維勢(shì)流理論[10],重點(diǎn)分析整體重心的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)情況,見(jiàn)表8。

表8 重心最大運(yùn)動(dòng)幅度Tab.8 Maximum motion of COG

由上表可知,不同波浪工況下浮體平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[11],尤其注意橫搖最大角度2.15°與縱搖最大角度1.48°。

4.3 浮體平臺(tái)強(qiáng)度校核

平臺(tái)強(qiáng)度校核使用ANSYS軟件,首先對(duì)平臺(tái)受力進(jìn)行統(tǒng)計(jì),見(jiàn)表9。

表9 受力情況Tab.9 Load Condition

分別對(duì)H900雙拼梁、浮箱甲板、浮箱艙壁、浮箱底施加相應(yīng)外力,得到計(jì)算結(jié)果及應(yīng)力云圖如表10和圖8～11所示。

圖9 浮箱主甲板等效應(yīng)力Fig.9 Von Mises Stress for Barge Main Deck

圖10 艙壁等效應(yīng)力Fig.10 Von Mises Stress for Barge Bulkhead

圖11 梁等效應(yīng)力Fig.11 Von Mises Stress for Barge Bottom Deck

可以看到,在艙壁和船底部分區(qū)域等效應(yīng)力超過(guò)了許用應(yīng)力(0.7倍系數(shù)),考慮到應(yīng)力集中現(xiàn)象,而且根據(jù)云圖觀察這些區(qū)域十分小,因此認(rèn)為是可以接受的。

5 結(jié) 語(yǔ)

工程取得成功,證明了浮托法可在水庫(kù)極淺深作業(yè)環(huán)境實(shí)施,適應(yīng)超高重心結(jié)構(gòu)。浮箱模塊化制造,公路便捷運(yùn)輸,施工現(xiàn)場(chǎng)組裝成浮體平臺(tái),是水庫(kù)中風(fēng)機(jī)浮托拆除的良好選擇,也適用于其他風(fēng)波流等環(huán)境作用力小的場(chǎng)景,比如湖泊、近岸遮蔽海域等[12～14]。該項(xiàng)目是國(guó)內(nèi)外的第一次水中浮托拆除風(fēng)機(jī)的應(yīng)用,具有示范意義;對(duì)比在水中修路后吊機(jī)分拆的方法,可節(jié)省施工費(fèi)用30%以上。如果在此基礎(chǔ)上再加以改進(jìn),將底部浮體平臺(tái)頭尾浮箱加大,并改為更為適航的流線型,框架與風(fēng)機(jī)塔筒的連接方式由焊接變?yōu)橐簤罕Ьo裝置:(1)可應(yīng)用于更為苛刻的環(huán)境;(2)適應(yīng)更大更高結(jié)構(gòu);(3)提高施工效率。對(duì)于新風(fēng)機(jī)進(jìn)行安裝,逆行施工的浮托法也是研究方向,該項(xiàng)目的成熟經(jīng)驗(yàn)可作為參考。